公路隧道排水设计与防灾功能的思考

公路隧道排水设计与防灾功能的思考

1排水系统与防灾系统集成结构较旧,生态和水环境保护意识薄弱,生态和水环境保护意识相对薄弱,环保意识薄弱,环保意识相对20世纪90年代以来，道路隧道施工技术取得了很大进步，排水材料的性能不断优化和创新，但排水设计理念相对陈旧。人们不太关心排水系统和防灾系统的综合设计，缺乏环境保护的意识，以及排水结构的检查和维修职能。排水系统与防灾系统的协调是工程使用性能的重要指标,生态和环境保护是实现可持续发展的重点,同时排水系统可维护性也是保障公路隧道运营安全和使用寿命的重要因素,应引起更多的重视。2目前，道路隧道的排水系统建设不足2.1暗沟蔓延的范围公路隧道为引排洞内隧道清洁污水及火灾情况下消防水、泄露的易燃性有害液体,避免其在路面大面积漫流,在路面两侧(或路面低侧)设置路面边沟,洞外路面边沟直接引入路基路面侧沟。路面边沟一般采用开口式明沟或暗沟型式。图1开口式Ω沟开口式路面边沟往往自进口纵向拉通至出口布置,此种设置型式对路面污水及有害液体收集效果显著,减少污水及有害液体在路面蔓延的范围。《公路隧道设计规范》未对开口式明沟(如图1)是否设置检查井做明确规定,而公路隧道内车辆运行中车轮携带泥沙随路面进入明沟内并淤积于沟底,影响路面边沟过水能力。传统开口式边沟开口宽度较窄,一般清淤工具难以发挥作用,采用高压水枪也只能短距离冲走淤积泥沙,难以实现全隧清淤,乃至运营期间边沟只能作为摆设。从防灾功能讲,易燃性有害液体泄露汇集至开口式边沟内,一旦易燃液体被引燃,明火将由事故发生点顺路面边沟一直蔓延至隧道外路基段,开口式边沟将变成了扩大火灾范围的工具。图2滤水箅暗沟通常设于路面之下,沿隧道纵向每25～30m设置滤水箅(如图2)收集路面污水及易燃性有害液体。从视觉效果而言,暗沟较开口式明沟更加隐蔽;从运营检修难度而言,暗沟更易检修;但滤水箅纵向按一定间距设置,削弱了暗沟收集路面污水及有害液体的能力。从防灾功能讲,燃烧的易燃性有害液体在路面蔓延的范围较大,且暗沟并无隔断流体与空气接触的结构(检查井仅为沉砂检修之用),汇入暗沟后,仍可沿暗沟蔓延至洞外路基段。同时,当前众多设计对洞内排水边沟型式的选择未考虑隧道长度,往往一个项目一个边沟型式,往往得不到最优的引排效果。2.2路面排水设计路面下渗水指路面污水通过面板缝隙下渗或路面结构以下围岩水通过路面缝隙浸入面板,包裹在路面结构周围的少量渗水。路面下渗水引排是保障路面结构使用寿命、避免路面病害的重要措施。不少设计未重视路面下排水,未设计路面下排水设施;部分设计仅对无仰拱衬砌结构段路面下设有排水设施,有仰拱衬砌段未考虑排水设计。无仰拱段路面基层直接或整平层直接与围岩接触,围岩水可通过面板下基层内横向坡面渗流入低侧排水沟内。但仰拱衬砌防水设计等级低于拱墙衬砌,施工缝处更是防水的软肋,有仰拱衬砌段路面下排水与无仰拱段路面下排水同样重要。传统的路面下排水设计有三种:①路面下设横向、纵向打孔排水管。排水管采用开孔率10%左右的打孔聚乙烯管,沿路面底网格布置。排水管的设置预留了排泄的通道,但渗水不会自觉全部汇入排水管内,大部分仍然包裹于路面结构周围,使路面结构长期处于浸水状态下工作,大大缩短路面结构寿命;②路面下设碎石层。碎石层透水效果好,但整体稳定性差,易引起面板不均匀沉、路面结构受弯扭组合力而开裂破坏;③路面下设大孔隙无砂混凝土。大孔隙无砂混凝土开孔率30%左右,整体稳定性好、透水性较好,沿路面底连续布置。但施工中路面结构现浇混凝土漏浆顺无砂混凝土孔洞下渗,对排水效果有较大不利影响。2.3衬砌前后排水管堵塞围岩水引排指对开挖面渗入隧道二衬外的地下水加以疏导和排除,包括地表渗水和围岩内潜水。围岩水引排设计由三部分组成:初支与防水层之间排水管、横向导水管和洞内排水沟(管)。下面我们分四点叙述传统引排方案中可优化之处:(1)排水管。从选材而言,初支与防水层之间排水管通常选用软式透水管、打孔聚氯乙烯管、排水半管等(如图3)。其中软式透水管和排水半管排水能力较强,能有效降低衬砌背后水压;而打孔聚氯乙烯管开孔率有限,透水率相对较低,使用过程中透水孔易被渗水中的颗粒堵塞失效。洞内排水沟(管)的设计通常根据地下水涌水量及水质确定;但在满足基本功能情况下,还应利于检修,利于交安设施安装。(2)从材料使用寿命而言,初支与防水层之间的排水管都不能满足永久工程的使用年限需要。(3)从排水管的可维护性而言,传统围岩水引排系统仅在洞内排水沟(管)处设置检查井,衬砌背后排水管没有预留可行的维修空间,对某些隧道而言是极大的隐患。例如泥质围岩段排水管内容易形成泥沙颗粒沉积堵塞管道,可容岩段地下水易在管内壁形成硫酸钙、氯化钙、氯化钠、碳酸钙等结晶体堵塞管道。衬砌背后排水管堵塞,将造成衬砌背后水压升高,将隧道结构环境由无水压环境变为有压环境。(4)从围岩水引排对地下水环境影响而言,传统隧道仅对于引排可能造成环境严重破坏或地下水威胁施工安全时,方采用封堵裂隙改良围岩降低涌水量,其它大多数隧道工程均采取以排为主的引排方案,以环境代价换取短期的经济利益。2.4洞内分污水排放洞口排水系统常常直接与路基路面排水沟连通,洞内分开引排的污水、围岩水在洞口排入路基边沟中混合,与《公路隧道设计规范》中污水与围岩水分开排放的环境保护原则相违背。3隧道支护结构的设计原则隧道排水系统作为隧道工程的主体结构之一,应按永久性结构设计,建成后配合隧道支护结构长期运营,并应与隧道防灾结合,应具有方便维修的功能。3.1大悬挑下侧沟排压机及管道设计短隧道采用10×10cm(长×宽)梯形开口槽(如图4)引排少量路面污水和有害液体。矩形开口槽宽度总宽为15cm,占用路面空间小,淡化视觉效果,与道路轮廓标不冲突,易清洗,可为路面下侧沟检查井预留足够空间。考虑到短隧道发生灾况时,一般将事故源转移到洞外处理,故洞内排水边沟可不必考虑防灾功能。长度大于500m的隧道采用开口式Ω型排水边沟,边沟采用预制件,断面尺寸尽量不大于30×30(cm),以减小对路面的视觉影响和路面下侧沟检查井的影响。排水边沟纵向每100m设虹吸功能检查井(如图5),以便清洁边沟内沉积物,同时在易燃性有害液体燃烧情况下隔断开口式边沟内明火。3.2层间纵向的设计结合围岩岩性、地下水水量设计引入中心水沟或排水侧沟的横向渗水结构,建议采用空隙率大的立体网状塑料盲沟。无仰拱段在路面底与整平层间纵向每1m设置一道,地下水发育地段适当加密乱丝盲沟纵向间距;有仰拱段对应仰拱环向施工缝位置设置。塑料盲沟具有较传统横向排水设施更优秀的特性:①表面开孔率极高,空隙率大,可达82～90%,是聚氯乙烯管的8倍,无砂混凝土的2.5倍;②体积小,占用空间小,直径100mm的塑料盲沟等同于直径300mm的打孔聚氯乙烯管;③在每次路面结构维修时可以整体更换,操作简单。3.3隧道排水管方案针对传统排水设计,提出以下三点建议。(1)从选材和使用寿命而言,初支与防水层之间的排水管使用寿命均在20～30年左右,但在建设中及建成后支护体系徐变过程中,环、纵向排水管虽被挤压变形,但仍支撑出一个排水的通道,支护体系变形稳定后即使排水材料老化,这个排水通道仍可继续服务。所以,选材是应选择透水性好的排水管,保证建设初级排水管道良好的畅通性。(2)从排水管的可维护性而言,洞内排水沟、管均设检查井,检修技术比较成熟,检修手段同市政给排水系统检查维修手段,本文不再叙述。初支与防水层之间排水管检查维修较局限。目前最新的Exavision防水管道检测仪可检测的最小管径为130mm,但小管径排水管的维修手段仍然非常有限,设计中应考虑排水分段分区(分区排水见下文),以便于检查、维修。(3)围岩水引排方案在考虑保证隧道施工安全、施工质量情况下,还应注重分析围岩水的来源及引排方案对地下水环境、地表生态系统、围岩结构的影响。对地下水可能会成为施工安全隐患、影响施工质量的情况,引排对地下水环境、地表生态系统影响不可恢复的情况,均应采用堵水限排的原则,封堵围岩裂隙改善围岩本身渗透系数,最大限度的保持原地下水平衡状态。例如:渝怀铁路歌乐山隧道(全长4050m)的修建可能会造成地表10座水库、100多处鱼塘、上千处泉井及森林等严重环境破坏,设计大胆摒弃了“以排为主”的传统做法,引入“堵水限排”的设计理念,从而保护了地下水环境同时保证了施工安全。对于地下水含有杂质的情况(例如泥岩、岩溶水含可沉淀的钙镁离子),应采用封堵围岩裂隙,减少围岩水渗出。否则,隧道开挖后,隧道作为山体的出水口,地下水不断往隧道开挖周边渗流,同时渗流中搬运着围岩颗粒,导致衬砌外围岩空隙逐渐增大,隧道建成后的围岩水水量越来越多。3.4排水区域分区排水分围岩内分区排水和隧道衬砌背后排水管道分区排水,分区排水对后期检查维修排水系统,延长使用寿命有重大意义。3.4.1节理裂隙发生快移隧道开挖后,开挖面周边围岩受人为扰动,产生新的节理裂隙,原本相对隔水层可能会成为新的渗水通道。此时应在来水破碎带端头对围岩注浆封堵,防止破碎带地下水随隧道周边裂隙流失。3.4.2纵向盲管检查井纵向盲管应分段接入洞内排水沟(管),并在接入处设置纵向盲管检查井(如图,方便目